大爆炸-宇宙通史-第9部分

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　　　　关于在原恒星内保留的物质的情况先介绍到这里，在探讨行星形成时我们会再次提及。新诞生的恒星自身情况如何？激烈变化而不稳定的雏星依旧包藏在尘埃和气体中，向外发出强大的恒星风。星风由从恒星表面吹出的粒子组成，这阻止了其他物质继续向内收缩。从恒星的极区也可能发出强大的喷流，会清除掉周围大部分的星云物质。收缩开始100万年后，到达了恒星演化的金牛座T型星阶段，恒星在继续紧缩并不规则地闪耀。一个物质构成的圆盘围绕着恒星，从新恒星附近延伸到几百个天文单位远。在接下来的1000万年里，围绕恒星的云团剩余部分被逐渐扫清，只留下圆盘。其中一个最好的实例是一颗很靠南的星：绘架座　。使用一种叫做日冕仪的特殊仪器，挡住恒星自身的明亮光芒，就可以很容易地观测到它的圆盘。

中年的恒星

　　　　到这时恒星已经停止收缩，进入所谓主星序上的稳定的中年阶段。换句话说，核心的反应可以提供足够的能量抗衡引力向内的拉力，支撑恒星的外层。恒星被炽热气体的压力（或者推力，如果愿意这么叫的话）和核心产生的辐射所支赫兹普龙…罗素图将光度表示为温度持。恒星如此巨大，一个单独的光子携带光能量的粒子要从核心逃出需要花费很长的时间，对太阳而言需要100万年。这个过程通过自然的热平衡实现自动调节。如果恒星在引力作用下收缩，那么核心的温度就会升高，核反应就进行得更加迅速，就会产生更多的能量，强迫恒星扩张到原来的大小。平衡已经达到，重力和压力互相抵消，恒星可以自在地停留在主星序中达几十亿年。
　　　　我们从恒星在巨大的星云中形成开始，再集中描述了一颗独立恒星的形成，这可能会造成某种误导。每个活跃的恒星生成区域会同时产生很多恒星，而大多数在这种条件下形成的恒星将作为星团的一员开始它的生命。一个很好的例子是在猎户座大星云这个离我们最近的大型恒星生成区中，4颗明亮的年轻恒星组成的四重星团。多数类日恒星会组成双星或多星系统，两颗或多颗恒星互相靠得很近，最终进入环绕对方的轨道。这样的系统可能是不稳定的。三星系统通常但不总是会通过引力作用把质量最小的成员甩出去，这个弹出速度常常很高。在星团中也会发生类似的过程：恒星会以高速被抛出。而当以高速离开时，它们也带走了引力能。这种能量损失令星团中余下的恒星在其邻居引力的拉力下束缚得更紧，直到形成一个稳定的星团。尽管存在上述进程，通常还是会造就某类多重恒星系统。像我们太阳这样独立的状态是很少的不寻常的情况。

太阳系的形成

　　　　围绕着原始太阳，剩余物质形成扁平旋转的圆盘。物质变成扁平形状的事实解释了为什么行星的轨道倾角如此地接近。相对于地球轨道，水星的倾角仅为7度，而所有其他大行星的倾角均小于4度。这也解释了为什么行星在轨道上以和地球相同的方向运转。如果从太阳极区的上面看去，所有行星在以同一方向绕转。
　　　　甚至小行星以及柯伊伯带成员（新近发现的位于太阳系外侧深处的小天体群）也遵循大部分规则。没有小行星或者柯伊伯带天体在“错误”的方向上绕行。而最早发现的100颗小行星中仅有4颗的轨道倾角大于20度。彗星则不同，它们质量很低，易受行星摄动的影响，所以其轨道偏心率和倾角的变化范围很大。而包括哈雷彗星在内的长周期彗星是逆行的，即它们的绕行方向与行星相反，就像在交通环路上逆行的一辆汽车。
　　　　研究人员已经建立了复杂的模型，来说明观测到的围绕年轻恒星的圆盘是如何形成太阳系的。在离主星较近的地方，氢和其他较轻的气体被恒星风吹走，形成较小、岩质的行星。在太阳系，这类行星包括水星、金星、地球和火星，以及稍远一点的位于火星和木星轨道之间的小行星带。这里由于木星引力牵引的破坏作用，无法形成大的行星。
　　　　再远一点的情况则有所不同。较轻的气体没有被驱逐开，一旦有一个行星核形成，它就会收集这些气体成为巨大的大气层，从而变成一颗巨型的气态行星。在我们太阳系中木星和土星无疑是最好的例子。这些巨行星的视表面实际上就是它们大气层的顶端。这也适用于小些的大行星天王星和海王星。
　　　　再向外，我们来到了被小得多的天体占据的区域，这里物质较为稀少，因此此处形成的天体的大小无法达到能够吸住明显大气的临界质量。在太阳系的边缘有柯伊伯带，冥王星是其中最有名的成员，尽管它的直径2320千米比月球还小。除冥王星之外的第一个柯伊伯带天体是在1992年发现的，目前已经知道有数百个。现在冥王星被认为是这类天体中最大的一个，而非真正的大行星。离太阳更远的地方也有零星的环绕太阳的天体。在这片昏暗的地方，至少有两个天体Quaoar和Sedna的大小与冥王星相当。
　　　　以上这些概况基本正确，但故事并未到此为止。当气体巨行星在圆盘中部（就像木星在太阳系中的位置）形成后，物质会被行星所扫清，从而在圆盘中形成空隙。我们可以观察到正在进行的这种过程。在围绕一些年轻恒星的圆盘中已经探测到了空隙。在这种情况下，行星和圆盘之间产生一种竞争，行星的引力将物质从圆盘中吸出，累积到行星身上；而圆盘则把物质向回拉。净效应是行星受到阻尼力进而损失能量，并向内侧朝着中心星盘旋过去。
　　　　一旦一颗巨行星开始向内侧移动就很难停止。要创造一种理论既允许这些行星移动到正在形成的太阳系的内侧，又防止它们落入到太阳之中的残酷结局，是一个巨大的挑战。有人提出在某些情况下这正是曾经发生的事情，而我们只是看到了在已经形成并向内侧运动直至毁灭的一长串行星中的最近的几个。但有希望的是，最近的研究已经表明巨行星最终有可能战胜圆盘，捕获周围所有的物质而避免进一步的拖曳。这时转移就会停止，巨行星找到了永久的归宿。
　　　　我们的太阳系似乎已经逃离了被一颗大行星犁过圆盘内侧造成的混乱时期，但这并不意味着所有东西从一开始就都是稳定的。也许一个后继的木星大小的行星会形成并向内侧运动，掉入太阳之中并毁灭。不论这些行星是否存在，最终都会形成两个大的物质团块，它们大到其引力足以捕获氢气，而两个团块将迅速增大质量形成木星和土星（土星最明显的特征：土星环，只可能在最近100万年前后生成，可能是因为一颗卫星在一次猛烈的撞击中破碎。因为固有的不稳定，它们只能再维持100万年。我们能够欣赏到这样的美景的确十分幸运）。
　　　　在原土星附近，同时还会有另两个团块从圆盘中凝结出来。它们小很多，所以虽然能够捕获气体，但速度要慢得多。天王星和海王星两颗大行星将从这些团块中形成。它们刚好在区分岩质行星和气态行星的临界质量之上，最初这些行星距离太阳要比现在近得多。但在木星引力以及与圆盘的相互作用的共同影响下它们逐渐向外移动到现在的位置上。这产生了戏剧般的效果。圆盘外所剩余的大部分物质过于寒冷又不足以聚集成行星大小的团块，又因为过于靠近天王星或海王星而被抛出了它稳定的轨道。它们大部分终老在太阳系最为遥远的地方，现在我们称之为奥尔特云。这是离最近的恒星都相当远的储存有巨量物质的地方，而且远离行星破坏性的引力效应的影响。
　　　　偶尔地，奥尔特云内的物质会被奥尔特云天体自己的相互作用或一颗经过的恒星所扰动，被投入了内太阳系。于是我们看到了流浪者般的彗星，在太阳的照耀下挥发出它们的冰态物质。这类事情现在比较少见，但在我们的故事正在讲述的这个时代，由于天王星和海王星对物质向内的牵引，这种现象经常发生。从月球上环形山的记录可以发现这个“大轰炸”的踪迹，显示出内太阳系曾经被大量小天体撞击。它们亦曾撞击过地球，但其痕迹早已被掩盖住了。

今日太阳系

　　　　最不可能的事就是我们的太阳系是独特的，但它确实是相当不平常。所以让我们再仔细地考察一下。除了行星和小行星大小的天体，还有被称作“脏雪球”的彗星。彗星真正实在的部分是它的核，由混有碎砾的冰雪构成。当彗星靠近太阳时，冰蒸发形成彗头，通常还带有一条长尾巴或几条尾巴。也会有尘埃粒子实际上是彗星碎片闯入地球上层大气时在海拔65千米高处燃烧形成流星。
　　　　大些的天体可能会完整掉落地面形成撞击坑，这就是陨星。应该注意陨星并不简简单单地等同于大的流星。这两类天体相当不同。陨星是从小行星带被逐出的天体，与彗星没有直接联系。
　　　　行星围绕太阳运动的轨道与一个圆形差不多，而大多数彗星则在一个非常偏心的轨道上运动。行星公转周期的范围从水星的68天到海王星的接近165年。正如我们看到的，行星是在环绕年轻太阳的扁平物质圆盘中形成的，所以它们的轨道倾角都很接近。这也适用于柯伊伯带天体和彗星的情况。
　　　　最着名的彗星当然就是哈雷彗星，它将于2061年再次回归。现在它过于暗淡无法看到，但无疑在下一次过近日点（距离太阳最近的位置）之前很早就会被找到。偶尔能够看到的超明亮的彗星周期要长得多，有些显然能够亮到产生影子的程度，尽管我们这代人还没有看到。最后，太阳系中还包含大量的行星际尘埃。
　　　　在4个内行星中，地球和金星的个头相似。尽管在大小和质量上像孪生子，但它们是完全不同的。金星有一个主要由二氧化碳构成的非常浓密的大气层，在云朵中饱含硫酸，它的表面温度有500℃。地球类型的生命看来完全不可能存在。最里面的行星水星则过小，无法保持住可以观测到的大气。在地球轨道之外是火星，已经有很多宇宙飞船被发送到那里，而且已经有计划发射载人飞船，尽管这还是相当遥远的未来的事情。
　　　　很明显，那些巨行星和较小的内行星完全不同。它们在离太阳较远的距离上形成，故而得以保留较轻的气体最明显的是氢。木星和土星确定具有一个高温的硅酸盐的核，并被一层液氢所包围，在其上是我们看到的大气。天王星和海王星则不同。它们更适于用冰巨行星而非气态巨行星来描述。木星质量比其他行星的质量总和还大，所以有一种说法叫做太阳系只不过是由太阳、木星和各式各样的混杂的碎片组成。
　　　　在行星的卫星中，我们的月亮比较独特。因为它是唯一由较小的行星所拥有的大卫星。其余的，木星有4颗大的卫星和很多较小的卫星。土星有一颗大的随从土卫六提坦，和许多中等和小型的卫星。天王星有5颗普通大小的卫星，海王星有海卫一（Triton）和一群小卫星。所有卫星中，只它有提坦有较稠密的大气。火星有两个小月亮，火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos），是它很久以前捕获的游离的小行星。大行星中只有水星和金星是宇宙中的独行侠。

岩质行星

　　　　如果气态巨行星向内侧的迁移是很平常的话，我们探测到岩质的类地行星的机会将大大减少。即使它们在某个太阳系的历史早期形成，也很容易因一个木星大小的行星从附近经过而被带离轨道或者破坏掉。地球的存在似乎取决于木星保持在了它所形成的位置上，其原因尚不清楚。实际上在我们写这本书时，在大多数探测到的太阳系中，在我们预计存在岩质“地球”的位置上是一个气态巨行星。应当承认我们的技术有利于探测离恒星较近的大型行星。而进一步观测可能说明我们的太阳系终究一点也不特殊。这是一个基础问题，我们在接下来的10年中将有能力解答这一问题，直接寻找其他“地球”的任务已经在计划中。
　　　　有些时候观测者从地球上可以幸运地看到一颗行星从它所环绕的恒星前面横穿而过。在我们自己的太阳系中可以看到水星凌日和更为罕见的金星凌日。最近一次金星凌日发生在2004年，下一次在2012年。在此后要经过一个多世纪才会发生另一组2次凌日。那些太阳系外行星所绕转的恒星都很遥远，我们无法看出视面。所以当行星从恒星前经过时，它会将恒星的光部分地遮挡住，这样我们所观察到的是恒星的亮度略微变暗。这种方法可以实现大尺度的巡查，每晚可以观测成千上万颗星。而亮度上任何可疑的小下降都会被跟踪。这类天文观测将不再纯粹是职业天文学家的工作，这种行星环绕恒星的迹象